[發明專利]用于多輸出電壓功率轉換器的多模式控制

在審

• 申請號: 202010467027.7
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN112134461A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 鄭聰;J·郭;C-L·陳
• 申請（專利權）人: 戴洛格半導體公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 北京世峰知識產權代理有限公司 11713
• 代理人: 卓霖;許向彤

提供了用于反激式轉換器的自適應脈沖寬度調制閾值，該反激式轉換器控制在脈沖頻率操作模式和脈沖寬度調制模式之間的轉換。自適應脈沖寬度調制模式響應于反激轉換器的輸出電壓而被適配。

技術領域

本申請涉及隔離式開關轉換器，并且更具體地涉及隔離式開關功率轉換器，該隔離式開關功率轉換器響應于輸出電壓對脈沖寬度調制操作模式和脈沖頻率調制操作模式之間的轉換進行適配。

背景技術

傳統上，用于為便攜式設備的電池供電和充電的電源適配器針對特定裝置而進行設計和優化。例如，手機適配器通常設計為具有+5V的恒定電壓和大約1A的恒定電流范圍。筆記本電腦適配器通常設計為具有+19V的恒定電壓和大約2A的恒定電流范圍。換句話說，電源適配器設計人員能夠圍繞輸入線電壓以及輸出電壓和電流范圍的狹窄操作條件進行優化。

在便攜式設備適配器中采用的常規拓撲是以不連續傳導模式(DCM)操作的反激式(或反激變型式)功率轉換器。通常，典型地存在三種調制區域，包括：用于較高負載條件的脈沖寬度調制(PWM)；用于輕型至中型負載條件的脈沖頻率調制(PFM)；以及用于輕型負載條件至空載條件的具有脈沖跳躍模式的深PFM(DPFM)。脈沖跳躍模式有時可以包括避免可聽開關頻率的方法。功率轉換器控制和功率轉換組件針對特定的輸出電壓和線路/負載范圍進行了優化。例如，可以很好地限定關于PWM到PFM之間的轉換所在的操作點。類似地，轉換器在DCM(不連續傳導模式)和CDCM(臨界不連續傳導模式)之間轉換所在的操作點也得以很好地限定。然而，功率適配器能夠在寬的操作參數(諸如最大輸出功率、輸出電壓和電流)范圍內操作的新趨勢正在出現。不幸的是，現有技術的控制技術不能在較寬操作條件下優化效率性能。

開關功率轉換器的效率主要由兩種損耗決定：開關損耗和傳導損耗。在大多數開關功率轉換器中，隨著穿過功率轉換器的輸出的負載的減小，開關損耗起著更大的作用。相反，隨著負載的增加，傳導損耗起著更大的作用。如上所述，為了減少在高負載條件和輕負載條件下的損耗，一些常規的開關功率轉換器在不同的負載條件下使用脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)。在較高負載條件下，PWM模式通常比PFM模式更有效。在較低負載條件下，PFM模式通常比PWM模式更有效。這種多調制技術通常被稱為多模式控制(MMC)。

在每種調制模式中，電源開關晶體管的每次導通時間的最大初級繞組電流(Ipk)取決于變壓器設計，以避免磁芯飽和。對于不同的操作條件，充分利用所設計的Ipk范圍將是有益的。在具有多個輸出電壓等級的電源適配器應用中，較低的Vout設置會導致更長的變壓器復位時間(Trst)，因此迫使操作進入CDCM。如果系統在Ipk固定且Fsw也固定的PFM模式期間進入CDCM，則功率轉換器將不能保持輸出電壓調節。

在圖1中示出了針對所有輸出電壓條件和負載條件所遵循的常規MMC曲線，其示出了作為由控制電壓所表示的輸出功率的函數的電源開關(power switch)晶體管的開關頻率Fsw，所述控制電壓由隔離式開關功率轉換器中的反饋環路產生。在輸出功率P1處，調制模式從深脈沖寬度調制(DPWM)模式切換到脈沖頻率調制(PFM)模式。隨著輸出功率增加到等級P2，調制模式從PFM模式切換為PWM模式。在PFM操作期間，每個電源開關周期都會在轉換器的變壓器的初級繞組中產生固定的峰值電流(Ipk)。在PWM和DPWM模式期間，該峰值電流線性地變化。在每種電源設計中，轉換器的輸出電流通常都是固定的，因此，較低的Vout對應于較低的輸出功率。采用這種方法，在低輸出滿載條件下，Fsw較高而Ipk較低，這不能充分利用所設計的Ipk范圍，因此會降低效率。

另選地，由于多電壓適配器的寬操作條件，一些現有技術的轉換器已經針對較高的輸出負載條件采用了連續傳導模式(CCM)區域。該方法允許系統進入CCM(而不是在用于較低Vout設置和較高負載條件的CDCM中操作)。當系統在PFM模式期間進入CCM時，Ipk固定且Fsw能夠被調節，從而使Vc保持輸出電壓調節。不幸的是，與CDCM操作相比，使用CCM需要復雜的反饋環路補償和增加的開關導通損耗。

發明內容